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1、电气与电子信息工程学院计算机仿真技术答卷答卷题目: 基于MATLAB直接转矩控制系统仿真 课程名称： 计算机仿真技术 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 学号： 姓 名： 摘 要 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能变频调速技术。它省去了复杂的矢量变化、克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖性特点，响应快、控制结构简单、易于实现全数字化。 本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统的基本构成，利用MATLAB工具，构建了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的磁链和转矩，直接跟踪定子磁链和转矩，采
2、用定子磁场定向，借助于离散的两点式（Band-Band控制）产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得高动态性能的转矩响应。通过直接改变影响电动机性能的磁链滞环调节器和转矩滞环调节器的参数，实现了对电动机的直接转矩的控制，通过仿真得到仿真图，对仿真图进行分析，验证直接转矩控制技术的有效性和可靠性。关键词：异步电机，直接转矩控制，磁链，仿真 一、直接转矩控制技术的现状与发展趋势 1985年，德国人M.Depenbrock提出了直接转矩控制理论，在实现磁链的同时也实现了对直接转矩的控制。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静态性能受到了普遍的注意和
3、得到了迅速的发展。根据M.Depenbrock所提出的直接转矩控制理论所实现的系统中，其磁链的轨迹是按正六边形运动，其六边分别有相应的六个非零电压矢量与之对应，可简单的切换六个工作状态直接由六个非零电压矢量完成六边形磁链轨迹，磁环控制简单。日本东芝公司的Takahashi教授于1986 年提出了磁链轨迹的园形方案，即让磁链矢量基本上沿园形轨迹运动。这是一种磁链的实时控制，通过比较实时计算所得的实际磁链幅值与给定值相比较，并同时考虑此时磁链所处的位置来选择电压矢量及持续时间的长短。T.G.Haberler提出了一种预前控制法，即依据当前状态的转矩、磁链误差和反电势，在一固定的开关周期条件下选择和
4、计算下一个状态所需要的空间电压矢量。实现恒逆变开关频率控制。最近出现了谐振式逆变器构成的直接转矩控制系统，摒弃了滞环，采用纯Band-Band控制，使得系统更容易实现。采用软件开关式逆变器，其开关频率可以达到几十个千Hz，它着眼于超大功率传动问题。有的学者提出定子磁通定向的新型控制方案，即采用了感应电机定子磁链定向的解耦模型，首先求出所需的d、q轴定子电流，然后得到d、q轴定子电压指令，经旋转变换得到静止坐标下对应作用的定子电压矢量。近几年发展起来的数字信号处理器（DSP）具有高速的运算功能， 国外常用DSP来解决高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题， 以弥补单片机运算速度太慢的缺
5、点。 二、直接转矩控制机理分析2.1异步电动机理想数学方程为了能够便于分析异步电动机的数学模型，建立出理想电机模型，必须对电动机结构参数进行一些假设：（1）气隙均匀；（2）磁路线性（3）定子，转子三相绕组对称，有效导体沿气隙空间作正弦分布;（4）忽略磁场谐波，磁场正弦分布。1.电压方程 =+ （2-1）式中；、定子、转子相电压；、定子、转子相电流； 、定子、转子绕组的全磁链；微分算子。2.磁链方程= （2-2）式中；、各相定子、转子自感，电磁矩阵中其他元素为定子、转子或定转子见的互感。3.转矩方程由能量守恒定律推出电磁转矩。根据能量转换原理，在多绕组电机中，其磁场储能为: = （2-3）式中；
6、= = 根据能量守恒原理，在异步电机运行时，其电磁力矩等于电流不变时磁场储能对机械角位移的偏导数。 =式中；电机磁极对数 电角位移，= =-+ （2-4）式中；定转子间的互感。由于转子的旋转，定、转子绕组间的互感是定、转子相对位置的函数，使得交流电机的数学模型为一组非线性的微分方程式。为了解除定、转子间这种非线性的耦合关系需要对其进行变量的坐标变换，建立参考坐标系内的异步电机数学模型。即将三相静止绕组A、B、C变换为两相静止绕组、之间的变换，这称为三相静止坐标系和二相静止坐标系间的变换，简称3/2变换。2.2异步电动机空间矢量等效电路控制系统利用异步电机空间矢量的等效电路进行分析。该效电路等效
7、电路是在正交定子坐标系上描述异步电动机的，下图为异步电动机空间矢量等电效电路。图中各量定义如下： 定子电压空间矢量； 定子电流空间矢量； 转子电流空间矢量； 定子磁链空间矢量； 转子磁链空间矢量； 电角速度（机械角速度和极对数的积）。并且规定，将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，在正交的轴上的投影称为分量。 根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上可由以下方程表示： （2-5） （2-6） 由以上方程推出定子磁链与转子磁链方程式： （2-7） （2-8） （2-9） 三、 直接转矩控制的MATLAB仿真3.1仿真模型搭建及参数设定 图3-1 直接转矩仿真模型 图3-2 参数设定3.2仿真结果及分
8、析图3-3磁链轨迹图3-4 电流波形图3-5 转矩波形图3-6 转速波形仿真结果分析：在直接转矩控制系统中，通过直接控制影响电机转速的磁链与转矩对电机转速进行控制。仿真中利用P-I调节器对启动过程进行放大，所以在启动时三相电流、转矩都比较大，使转速迅速提升并达到平衡。当转速达到平衡，三相电流幅值降低，转矩幅值降低，并且随着转速的平衡也达到平衡状态。参考文献1 王忠礼,段慧达,高玉峰.MATLAB应用技术 北京:清华大学出版社,20072 李德华. 交流调速系统. 北京. 电子工业出版社，20033 李夙. 异步电动机直接转矩控制. 北京: 机械工业出版社, 20014 张德丰. MATLAB控制系统设计与仿真. 北京. 电子工业出版社，20095 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京. 机械工业出版社，2000
